Принципы организации интерфейсов

Составными физическими элементами связей интерфейса являют­ся электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, назы­вается шиной, а вся совокупность линий – магистралью.В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: инфор­мационную и управления (каналом).

Информационная магистраль.По данной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств. Аналогичные наименования присваиваются соответствующим шинам интерфейса.

Коды данных представляют сведения о процессах, проте­кающих в ВС. Обычно в интерфейсах используется двоичное коди­рование в формате машинного кода, в измерительных интерфей­сах – стандартные коды.

Коды адресов предназначены для подключения к ма­гистрали устройств, узлов устройства или ячеек памяти. Обычно для адресации используется двоичный код, однако применяется и позиционное кодирование, при котором каждому устройству выде­ляется отдельная линия. Позиционное кодирование используется для адресации интерфейса 2К в СМ ЭВМ.

Коды команд используются для управления работой уст­ройств и обеспечения сопряжения между ними. По функционально­му назначению различают адресные команды управления обменом информации между устройствами, команды изменения состояния и режимов работы. К наиболее распространенным командам относятся ЧТЕНИЕ, ЗАПИСЬ, КОНЕЦ ПЕРЕДАЧИ, ЗАПУСК.

Коды состояния представляют собой сообщения, опи­сывающие состояния сопрягаемых устройств. Коды формируются в ответ на действия команд или являются отображением состояния устройств. Широко используются такие коды состояний, как ЗА­НЯТОСТЬ УСТРОЙСТВА, НАЛИЧИЕ ОШИБКИ, ГОТОВНОСТЬ УСТРОЙСТВА (к приему или передаче информации) и т. п.

В большинстве случаев коды данных, адресов, команд и состоя­ний передаются по шинам интерфейса с разделением времени за счет мультиплексирования шин. Это достигается введением допол­нительных линий для обозначения типа передаваемой информа­ции, называемых линиями идентификации. Они позволяют сущест­венно сократить общее число линий информационной магистрали интерфейса, однако при этом снижается быстродействие передачи информации.

Магистраль управления информационнымканалом. По своему функциональному назначению она делится на ряд шин: управления обменом, передачи управления, прерывания, специальных управ­ляющих сигналов.

Шина управления обменом включает в себя линии син­хронизации передачи информации. В зависимости от принятого принципа обмена (асинхронного, синхронного) число линий может изменяться от одной до трех. Асинхронная передача происходит при условии подтверждения принимающим информацию устройст­вом готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных за­дается регулярной последовательностью сигналов. Линии шины управления обменом выполняются, как правило – двунаправленными.

Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия магистрали информационного канала. На­личие этой шины определяется тем, что устройства в большинстве интерфейсов взаимодействуют по принципу «ведущий – ведомый» или «задатчик – исполнитель», при котором «ведущее» устройство может брать управление шиной на себя в определенные моменты времени. При наличии в системе нескольких устройств, способных выполнять функции «ведущего», возникает проблема приоритетного распределения ресурсов шины (арбитража). Состав и конфигурация линий этой шины зависят от структуры управления интерфейсом.

Различают децентрализованную и централизованную структуры управления. В интерфейсах, предназначенных для объединения толь­ко двух устройств (соединение типа «точка – точка»), шина передачи управления отсутствует.

Шина прерывания применяется в основном в машин­ных интерфейсах мини- и микроЭВМ и программно-модульных сис­тем. Основная ее функция – идентификация устройства, запраши­вающего сеанс обмена информацией. Идентификация состоит в оп­ределении контроллером (процессором) исходной информации о запрашиваемом устройстве. В качестве информации об устройстве используется адрес источника прерывания либо адрес программы обслуживания прерывания (вектор прерывания).

Шина специальных управляющих сигна­лов включает в себя линии, предназначенные для обеспечения ра­ботоспособности и повышения надежности устройств интерфейса, К этим линиям относятся линии питания, контроля источника пи­тания, тактирующих импульсов, защиты памяти, общего сброса, контроля информации и т. и.

Для обеспечения информационной совместимости необходимо реализовать ряд основных функций интерфейса:

1) селекцию ин­формационного канала;

2) синхронизацию обмена информацией;

3) координацию взаимодействия;

4) буферное хранение информации;

5) преобразование формы представления информации.

Рис. 4. Схемы селекции магистрали централизованной структуры.

Первые три функции выполняет канал управления, четвертую ипятую – информационный канал. Рассмотрим особенности логи­ческой и схемотехнической реализации указанных функций в ти­повых интерфейсах, используемых в ВС и локальных сетях массо­вого применения.

Управление операциями селекции выполняется централизован­но и децентрализовано.

Рассмотрим возможные варианты реализации селекции при централизованном управлении.

Временная селекция магистрали на основе генератора времен­ных интервалов контроллера(рис. 4,а). Вэтом случае магист­раль предоставляется каждому устройству через равные промежут­ки времени, определяемые скоростью работы генератора, а моменты занятия магистрали определяются двоичными счетчиками, синхрон­но работающими в каждом из подключаемых устройств. Такое реше­ние обеспечивает правило приоритетного обслуживания «первый пришел – последний обслуживается».

Пространственная селекция на основе последовательного адресно­го сканирования источников запроса(рис. 4,б). Выбор источ­ника запроса начинается по общему сигналу запроса и выполняется последовательно кодовой адресацией всех подключаемых устройств в соответствии с принятым правилом обслуживания. При обнару­жении источника запроса устанавливается сигнал «Занято» и даль­нейшая выдача адресов прекращается. После обслуживания дан­ного запроса возобновляется поиск следующего источника. Основное достоинство данного варианта – гибкость в реализации правил обслуживания. Основной недостаток — низкое быстродействие.

Последовательная (цепочечная) селекция(рис. 4,в). Такая селекция широко распространена в машинных интерфейсах как наиболее простая и достаточно быстродействующая. Поиск источ­ника запроса начинается по сигналу «Запрос». Идентификация наиболее приоритетного устройства выполняется сигналом «Подтверждение», который последовательно проходит через все устройст­ва. Приоритетным в данном случае будет устройство, наиболее близ­ко расположенное к контроллеру. При поступлении сигнала «Под­тверждение» в устройство (источник запроса) дальнейшее его про­хождение блокируется и устройством выставляется сигнал «Занято».

Рис. 5. Варианты соединения интерфейсных блоков в схе­мах цепочной селекции.

Схема селекции по выделенным линиям(рис. 4,г). Отличие ее от предыдущей заключается в том, что общие линии «Запрос» и «Подтверждение» заменяются системой радиальных линий. Макси­мальное время занятия информационной магистрали для этого ва­рианта будет меньше, чем для цепочечной структуры, так как сиг­налы по шинам запроса и подтверждения могут передаваться парал­лельно. Данный способ характеризуется также гибкостью установле­ния дисциплины обслуживания, поскольку контроллер с помощью масок может установить произвольный приоритет и порядок опро­са. Однако это достигается за счет существенного увеличения числа линий и усложнения схемотехнического оборудования.

Основными преимуществами последовательного сое­динения интерфейсных блоков (рис. 5, а) являются простота реализации и высокое быстродействие по сравнению с адресным сканированием, так как время выделения приоритетного запроса определяется только задержкой логических элементов, объединяе­мых в разомкнутую (для централизованного управления) или замк­нутую (для децентрализованного управления) цепь. Повысить бы­стродействие последовательного соединения можно за счет распарал­леливания процесса прохождения сигнала приоритетного сравнения через цепь элементов, что приводит к последовательно-параллельному (рис. 5, б) и параллельному (рис. 5, в) соединениям. Выигрыш в быстродействии в этих слу­чаях достигается в результате усложнения схемы.

Основным недостатком схем селекции на основе последователь­ного и последовательно-параллельного соединений является низкая надежность при увеличении длины интерфейсных связей. Поэтому последовательное со­единение в основном приме­няют во внутриблочных ин­терфейсах.

Основные варианты реа­лизации селекции при децент­рализованном управлении представлены на рис. 6.

Характерным признаком децентрализованной прост­ранственной селекции яв­ляется наличие замкнутых линий запроса и подтвержде­ния. На рис. 6, а пока­зан вариант децентрализо­ванной цепочечной структуры, которую можно получить из централизованной путем исключения линии «Занято» и замыкания общей ли­нии «Запрос» с линией «Подтверждение». Необходимым условием установления запроса любым устройством является отсутствие входного сигнала подтверждения. При выдаче запроса этот сигнал «дизъюнктивно» формируется на линии и трансформируется в сигнал «Подтверждение», который будет проходить до устройства, выста­вившего запрос и находящегося наиболее близко по отношению к участку замыкания.

Рис. 6. Схема селекции магистра­ли децентрализованной структуры це­почной (а),

кольцевой (б) и магист­ральной (в).

На рис. 6, б показан вариант децентрализованной коль­цевой структуры. Здесь используется одна линия, определяющая состояние занятости информационного канала по циркуляции в ли­нии маркерного импульса или серии импульсов. Устройство, за­прашивающее шину, не пропускает маркер к следующему устройст­ву, и, таким образом, циркуляция импульсов прекращается. Дан­ная структура широко распространена в интерфейсах локальных сетей.

Достоинство кольцевой структуры — использование малого количества оборудования и линий связи; основной недостаток — низкая помехоустойчивость.

Одним из наиболее перспективных способов селекции для ма­гистральных систем сопряжения является способ параллель­ного адресного сравнения или децентрали­зованного кодового управления (ДКУ), структурная схема которого представлена на рис. 6, в. Сущность алгоритма ДКУ заключается в параллельном выделении приоритет­ного кода запроса с помощью поразрядного сравнения кодов при­оритета в асинхронном режиме одновременно во всех устройствах интерфейса, выставивших запросы.

Синхронизация передачи слова определяет такие технические характеристики интерфейса, как возможность взаимодействия од­ного источника с несколькими приемниками, максимальная ско­рость передачи и допускаемая длина линий связи. На этом уровне используются два основных способа синхронизации передачи: без обратной связи и с обратной связью.

Способ синхронизации передачи без обратной связи.Схему синхронизации без обратной связи выполняют с помощью одного общего или отдельных тактирующих генераторов высокой стабиль­ности. Необходимым условием реализации способа является нали­чие отдельной линии стробирования. Способ широко используют в последовательных интерфейсах с побитовым принципом передачи. Основной недостаток синхронного способа заключается в том, что скорость выдачи данных источником не может быть больше ско­рости приема этих данных самым медленно действующим приемни­ком. Этот недостаток можно устранить благодаря применению в интерфейсных блоках модульных буферных ЗУ, например со стеко­вым механизмом записи и считывания.

Способ синхронизации передачи с обратной связью. Способы реализации обратной связи в схемах синхронизации можно разде­лить по характеру сигналов стробирования и обратной связи на импульсные и потенциальные по числу контуров обратной связи — на однопроводные и двухпроводные.

Использование обратной связи позволяет наиболее полно исполь­зовать пропускную способность информационного канала. Основ­ным недостатком асинхронного способа по сравнению с синхронным является более низкая скорость передачи информации.

Синхронизация передачи массива слов.Процессы передачи мас­сива могут быть детерминированными или стохастическими. К детерминированным относятся процессы передачи массива слов фиксированной длины (от одного до нескольких тысяч слов за сеанс связи), к стохастическим – переменной дли­ны. При детерминированных процессах используется синхронный способ сигнализации окончания процесса взаимодействия, при сто­хастических процессах – асинхронный.

Синхронный способ используется редко, причем в основном в интерфейсах, где фиксированная длина массива слов изменяется от 1 до 256 слов. Основное преимущество способа – отсутствие всистеме шин линии окончания сеанса связи.

Асинхронный способ сигнализации при передаче массива слов наиболее распространен. Сигналы синхронизации мо­гут выдаваться в произвольный момент времени передатчиком по информационной шине или специально выделенным линиям управ­ляющего канала.

Процессы взаимодействия элементов системы могут иметь два уровня конфликтных ситуаций при доступе к информационному ка­налу интерфейса и к устройству системы. Это связано с тем, что в момент обращения одного устройства к вызываемому последний может находиться в состоянии взаимодействия или в нерабочем сос­тоянии. Таким образом, операция настройки включает в себя про­цедуры опроса и анализа состояния вызываемого устройства, а так­же передачи команд и приема информации состояния. В большинстве случаев алгоритмы настройки выполняются программным способом с помощью передачи кодов команд и состояний по информационной шине. В межсистемных интерфейсах эту информацию можно офор­мить в виде унифицированного протокола.

Последовательность операций настройки может быть различной и зависит от сложности алгоритмов работы функциональных уст­ройств системы. В некоторых системах сопряжения последователь­ность операций настройки унифицирована, в интерфейсах мини- и микроЭВМ носит рекомендательный характер.

Контроль интерфейсных обменов необходим для обеспечения функционирования систем и достоверности передаваемых данных. В него входит, в частности, разрешение тупиковых ситуаций асин­хронного процесса взаимодействия. Тупиковые ситуации возникают в процессах асинхронного взаимодействия, например в схемах син­хронизации передачи слова, построенных по принципу обратной связи, в схеме приоритетной выборки на основе последовательного адресного опроса и т. п. Контроль тупиковых ситуаций взаимо­действия основывается на измерении фиксированного интервала времени, в течение которого должно наступить ожидаемое асинхрон­ное событие. Если за контролируемый интервал времени событие не наступает, то фиксируется неисправность. Операция контроля тупиковых ситуаций называется тайм-аут.

Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов, построенных на известных принципах избыточного кодирова­ния информации, например путем использования специальных циклических кодов, кодов Хэмминга, контрольных разрядов четнос­ти (нечетности) и т. п.

Операция передачи управления характерна для интерфейсов с децентрализованной структурой управления и заключается в пере­даче функций координации между функциональными устройствами. Ее необходимость обусловливается требованием повышения на­дежности управления и эффективности использования составных элементов системы. Повышение надежности достигается резервиро­ванием управления, например, при отключении питания или отка­за интерфейсного модуля, выполняющего функции управления ин­терфейсом.

Повышение эффективности использования оборудования системы достигается исключением дублирования дорогостоящих устройств посредством организации доступа к ним с разделением времени двух (и более) контроллеров или ЭВМ.

Функции обмена и преобразования информации выполняются информационным каналом интерфейса. К основным процедурам

функции обмена относятся прием и выдача информации (данных, состояния, команд, адресов) регистрами составных устройств сис­темы, к основным операциям функции преобразования - измене­ние параллельного кода в последовательный и наоборот, перекоди­рование информации, дешифрация команд, адресов, логические действия над содержимым регистра состояния. Эти операции в устройствах интерфейса реализуются шифраторами, дешифратора­ми, регистрами сдвига, схемами свертки и сравнения. Схемотехни­ческая реализация операций преобразования специфична для каж­дого устройства интерфейса и определяется функциональными тре­бованиями к нему от системы обработки информации.

Литература:

1. М.В. Напрасник «Микропроцессоры и микроЭВМ», стр.: 69-73.

2. В.В. Стрыгин «Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирования», стр.: 198-210.

3. Е.Л. Иванов «Периферийные устройства ЭВМ и систем», стр.: 18-24.

4. А.М. Ларионов «Периферийные устройства в вычислительных системах», стр.: 37-40.

ЗАНЯТИЕ 2.1.2 Элементы организации интерфейсов. Средства передачи

информации.

ВОПРОСЫ ЗАНЯТИЯ:

1. Методы управления вводом-выводом.

2. Программно-уп­равляемая передача данных, применяемая в микроЭВМ.

3. Передача данных с прерыванием программы.

4. Построение канала прямого доступа в память.

ПЕРВЫЙ ВОПРОС

При проектировании микропроцессорной системы очень важен правильный выбор методов управле­ния вводом — выводом данных. Микропроцессор имеет широкие возможности по организации ввода — вывода. Однако на эффективность ввода — вывода су­щественно влияют особенности технических средств, являющихся источниками (приемниками) вводимых (выводимых) данных.

Микропроцессор может взаимо­действовать с различными типами источников (прием­ников) данных. В некоторых смена данных происхо­дит в любой момент времени и занимает достаточно большой интервал (по сравнению с быстродействием микропроцессора). Установленные данные считывают (записывают) через достаточно широкий интервал времени после установки. К подобным средствам вво­да — вывода данных относятся средства, предназна­ченные для взаимодействия оператора и системы (на­пример, дисплеи, клавиатура).

Имеются устройства, работающие значительно медленнее, чем микропроцессор, но в периодическом режиме (например, накопители данных на магнитных дисках, печатающие устройства). В них данные могут быть записаны (считаны) только в определенные про­межутки времени. Если именно в этот промежуток времени микропроцессор не осуществит сеанс взаимо­действия, то данные будут потеряны. В то же время если микропроцессор будет только следить за состоя­нием таких устройств, то он не сможет выполнять дру­гие функции в системе. Поэтому в системе должна быть решена задача разделения пассивных и актив­ных интервалов взаимодействия. Например, во внеш­ние устройства можно ввести дополнительные техни­ческие средства индикации активного состояния, а в МП — средства соответствующей реакции на сигнал возникновения активного состояния в сис­теме.

В системе могут быть данные, снимаемые с датчи­ков состояния управляемых объектов (процессов), скорость изменения и предельные значения которых должны быть предметом особого контроля со стороны микропроцессора.

В реальной системе могут быть объединены много­численные сигналы разнообразных вводимых и выво­димых данных. Один из рациональных методов осу­ществления ввода — вывода в такой системе заключа­ется в организации асинхронного режима работы мик­ропроцессора и источников (приемников) информа­ции. В этом случае до обмена данными всегда проис­ходит обмен асинхронными управляющими сигнала­ми. Обмен по прерываниям работы микропроцессора может начаться только тогда, когда внешнее устрой­ство выработает сигнал готовности (ЗАПРОС НА ПРЕРЫВАНИЕ), а МП, завершив обязательные дей­ствия над выполняемой командой программы, вырабо­тает ответный сигнал ЗАПРОС УДОВЛЕТВОРЕН. Затем микропроцессор переходит к подпрограмме об­служивания запроса прерывания, которая содержит последовательность команд обмена данными. По за­вершении подпрограммы прерывания микропроцессор возвращается к работе по ранее прерванной программе.

ВТОРОЙ ВОПРОС

Во всех микроЭВМ применяется программно-уп­равляемая передача данных. При данном методе пере­дачи специальная программа управляет обменом дан­ными.

Известны три типа программно-управляемой передачи данных: синхронная, асинхронная и с преры­ванием программы.

Синхронная передача данных характер­на для периферийных устройств, для которых извест­ны временные соотношения. При этом типе передачи устройство ввода — вывода должно быть готово к при­ему или передаче данных за время, равное времени выполнения определенной команды процессора. Син­хронная передача реализуется при минимальных за­тратах технических и программных средств.

Асинхронная передача данных, иногда называемая обменом посредством «рукопожатия», широко используется в микроЭВМ. При такой переда­че данных ЭВМ перед выполнением операции ввода — вывода проверяет состояние периферийного устройст­ва.

Обычно при обмене необходимо:

1) проверить со­стояние устройства;

2) активизировать устройство, ес­ли последнее готово к обмену;

3) передать данные (ввести или вывести);

4) дезактивировать устройство.

На первом шаге выполняется команда ввода инфор­мации о состоянии выбранного устройства. Далее вы­полняется условный переход по содержимому разряда состояния устройства. Если устройство занято, в про­грамме реализуется переход для повторной проверки его состояния. В случае готовности устройства вы­дается команда на ввод или вывод данных. При завершении передачи устройство дезактиви­руется.

Асинхронная передача является идеальной в смыс­ле согласования временных различий между перифе­рийными устройствами и процессором. Недостаток ее в том, что процессор вынужден ожидать, пока перифе­рийное устройство не будет готово к обмену. Это при­водит не только к непроизводительным затратам вре­мени микроЭВМ (при наличии длительных задержек), но и во многих случаях является просто недопустимым. Например, в процессах управления в этом случае воз­никает необходимость сохранения уровня сигналов управления на время ожидания передачи. Методом, позволяющим устранить подобные трудности, являет­ся передача данных с прерыванием программы.

ТРЕТИЙ ВОПРОС

Передача данных с прерыванием про­граммы — это такой тип обмена данными, при ко­тором для выполнения операции ввода — вывода про­изводится прерывание программы микроЭВМ. Такой тип обмена особенно удобен при работе с периферий­ными устройствами с низким быстродействием, а так­же в случаях, когда момент передачи данных в микро-ЭВМ непредсказуем, например, при работе с каналами связи.

Основная характерная черта рассматривае­мой передачи такова — обмен данными между микро-ЭВМ и периферийными устройствами инициируется самими внешними устройствами. Для реализации дан­ного типа обмена необходимо цикл ожидания при асинхронной передаче данных заменить эквивалент­ным циклом проверки наличия внешнего прерывания, выполняемым при помощи аппаратных средств. За время исполнения каждой машинной операции микро­процессор автоматически проверяет наличие сигнала прерывания.

При передаче данных с прерыванием программы реализуется такая последовательность действий:

1. Периферийное устройство запрашивает прерыва­ние программы, выполняемой процессором.

2. После выполнения текущей команды -процессо­ром последний выдает сигнал подтверждения готовно­сти к прерыванию.

3. Процессор запоминает содержимое счетчика команд и осуществляет переход по адресу подпрограм­мы обработки прерывания.

4. Запоминается содержимое внутренних регистров (рабочих регистров и регистра состояния) и выполня­ется передача данных под управлением специальной программы.

5. Осуществляется возврат к продолжению выпол­нения основной программы.

В микропроцессорах обычно используется два спо­соба реализации описанной последовательности дей­ствий: прерывание с опросом и прерывание по векто­ру.

В случае прерывания с опросом при помощи тех­нических или программных средств опрашиваются периферийные устройства до тех пор, пока не обнару­жится то, что запрашивает прерывание. Далее МП переходит на соответствующую подпрограмму обслужи­вания прерывания, которая и выполняет обмен данны­ми.

Приоритет устройства определяется его местом в последовательности опроса.

В случае прерывания по вектору управление по запросу устройства непосред­ственно передается на соответствующую подпрограмму обслуживания. В системах с прерыванием по вектору все устройства обладают одинаковым приоритетом. В данном случае опроса не требуется, поэтому время реализации прерывания меньше, чем при выполнении прерывания с опросом.

Многоуровневые, или каскадированные, прерыва­ния могут применяться во многих типах микропроцес­соров при использовании флажков разрешения для маскирования и демаскирования отдельных уровней. Такая возможность особенно полезна в системах, где используются периферийные устройства как с низким, так и с высоким быстродействием.

ЧЕТВЕРТЫЙ ВОПРОС

Рассмотренные методы обмена данными предна­значены для передачи информации между внешними устройствами и микропроцессором. Для обмена дан­ными между внешним устройством и памятью нет не­обходимости пересылать данные через микропроцес­сор. Обычно такой обмен заключается в пересылке массивов информации. Если проводить чтение данных в памяти (внешних устройствах), заносить данные в аккумулятор микропроцессора, а затем записывать в регистры внешних устройств (или память), то за­траты времени микропроцессора будут очень больши­ми. Можно ввести в систему контроллер прямого до­ступа в память, который берет на себя управление пе­редачей, освободив от этих функций системный микропроцессор. Прямой доступ в память при выполнении операций ввода — вывода значительно увеличивает скорость передачи данных и повышает эффективность использования средств микропроцессора.

Построение канала прямого доступа в память является альтерна­тивой программному обмену, поэтому справедливы общие закономерности балансировки программно-ап­паратных средств. Если определенные функции выпол­няются аппаратно, то это упрощает программное обе­спечение, значительно сокращает затраты времени на выполнение функций по сравнению с их программной реализацией, но требует использования дополнитель­ных аппаратурных затрат. Последнее увеличивает стоимость, габаритные размеры и мощность потребления системы, снижает ее надежность.

В микропроцессорных системах задача разделения единого информационного канала между микропро­цессором и каналом прямого доступа в память решает­ся путем использования свойств трехуровневого состо­яния информационных магистралей. Микропроцессор во время передачи информации по каналу прямого доступа переводит выходные схемы управления маги­стралями данных, адресов и управляющих сигналов в высокоимпедансное состояние, тем самым изолиру­ется от остальной части системы, это аналогично обры­ву его информационного канала.

Степень влияния операций ввода — вывода в кана­ле прямого доступа на основной вычислительный про­цесс в системе определяется сложностью аппаратурных средств контроллера этого канала. В простейшем слу­чае контроллер берет на себя управление передачей данных по информационной магистрали в условиях, когда микропроцессор одновременно с выдачей сигна­ла удовлетворения запроса канала переводится в ре­жим ожидания окончания операций в канале. За счет перевода выходных каскадов управления шинами ин­формационной магистрали в высокоимпедансное со­стояние микропроцессор эффективно электрически и информационно отключается от системы. Состояние внутренних регистров «замораживается», т. е. микро­процессор в режиме ожидания сохраняет то инфор­мационное состояние, которое возникло в нем к мо­менту удовлетворения запроса канала прямого до­ступа.

Построение контроллера канала прямого доступа, функционирующего параллельно с микропроцессором, позволяет не отключать последний на время операций ввода — вывода. Однако операции ввода — вывода с использованием передач по информационной маги­страли надо синхронизировать с другими операциями в системе и выполнять их при свободной магистрали. Микропроцессор после обращения к памяти за очеред­ной командой расшифровывает ее и анализирует, в этот промежуток времени адреса обращения к па­мяти еще не известны. Поэтому канал прямого досту­па может «занять» цикл обращения к памяти и осуще­ствить операцию ввода или вывода слова данных. Этот метод занятия цикла обращения к памяти контроллер прямого доступа осуществляет так, что микропроцес­сор даже «не знает», что одновременно с его функцио­нированием происходят другие операции в системе, поскольку они никакого торможения работы микропро­цессора не вызывают.

Недостаток канала прямого доступа с занятием цикла — ограничение его производительности быстро­действием микропроцессора: обмен данными между памятью и внешними устройствами совершается со скоростью, определяемой частотой выборки команд.

Литература:

1. М.В. Напрасник «Микропроцессоры и микроЭВМ», стр.: 73-79.

ЗАНЯТИЕ 2.1.3 Интерфейсы ЭВМ общего назначения: интерфейсы ввода-вывода,

периферийных устройств, основной памяти, «процессор – канал».

ВОПРОСЫ ЗАНЯТИЯ:

1. Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ.

2. Системный интерфейс мини- и микроЭВМ – магистральный параллельный интерфейс (МПИ).

3. Малые интерфейсы периферийных устройств: ИРПР, ИРПС и Стык 2 (С2).

ПЕРВЫЙ ВОПРОС

Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ является фактически стандарт­ным для всех типов ЭВМ общего назначения; он совместим с интерфейсом ввода-вывода системы IBM/370. Для обеспечения возможности подключения ПУ с быстродействием свыше 1 Мбайт/с разработана модифицированная версия — расширенный интерфейс.

Модифицированный расширенный интерфейс позволяет без каких-либо изменений подключать как старые (рассчитанные на старую версию интерфейса), так и новые модели ПУ. Этот интерфейс построен по магистрально-цепочному принципу, является асинхрон­ным, дуплексным. Первая версия обеспечивает параллельную пере­дачу одного байта, модифицированная — двух байт.

Состав и назначение линий интерфейса ввода-вывода ЕС ЭВМ. Все линии разбиты на 5 групп в соответствии с реализуемыми функциями: информационные, идентификации, управления, маркеров и специальные. В интерфейсе использованы однонаправленные линии, т.е. передача сигналов по ним осуществ­ляется либо от ПВВ (канала) к ПУ (абоненту), при этом линию и передаваемый по ней сигнал обозначают индексом «К»; либо от ПУ к ПВВ, тогда линию и сигнал обозначают индексом «А». Под абонентомпонимают устройство, подключаемое к ПВВ через интерфейс.

Информационные линии объединены в четыре подшины, обозначаемые ШИН: основную для прямой и обратной передачи; дополнительную для прямой и обратной передачи. Каждая подшина содержит 9 линий. По основным шинам прямой и обратной передач передаются адреса, приказы, данные и информация о состоянии в виде 8-разрядных байтов с контролем по нечетности (девятая линия). Дополнительные шины прямой и обратной передач используются только при двухбайтовых передачах данных. Байты данных на них также контролируются по нечетности.

Линии маркеров. Для указания ШИН, используемых при передаче данных, служат линии маркеров. Сигналы на линиях МРК-К0 и МРК-А0 указывают на использование только основных шин, сигналы на линиях МРК-К1 и МРК-А1 – на использование дополнительных шин.

Линии идентификации. Характер передаваемой по основным шинам информации идентифицируется сигналами на линиях идентификации: при передаче по шине ШИН-КХ0 адреса ПУ сигнал должен присутствовать на линии АДР-К, при передаче приказа — на линии УПР-К, а при передаче байта данных – на линии ИНФ-К или ДАН-К. При передаче по шине ШИН-АХ0 обратного адреса ПУ должен быть выставлен сигнал на линию АДР-А; для идентификации байта состояния сигнал должен присутствовать на линии УПР-А, а для идентификации байта данных – на линии ИНФ-А или ДАН-К. Все сигналы идентификации одновременно выполняют функции стробирования и квитирования, поэтому они выдаются на соответствующую линию с задержкой относительно выдачи байта на информационную шину.

Линии у правления. Сигналы РАБ-К, РАБ-А, БЛК-К и ОТК-А осуществляют управление взаимосвязью устройств интер­фейса. Сигнал РАБ-К определяет работоспособность ПВВ: все остальные сигналы имеют смысл только при наличии сигнала РАБ-К. Сигнал РАБ-А является ответным сигналом абонента и сигнализирует о его логическом подключении к интерфейсу. Сброс сигнала РАБ-К приводит к сбросу всех ПУ, подключенных к интерфейсу. Для селективного сброса ПУ используются сигналы БЛК-К и ОТК-А.

Сигналы ВБР-К, РВБ-К, ВБР-А и ТРБ-А используются для установления логической связи между ПВВ и одним из ПУ. Сигнал выборки передается по цепочной линии ВБР-К - ВБР-А, образующей «петлю» опроса; он является единственным сигналом, который доступен абонентам неодновременно. Подключение ПУ к магистрали, т.е. выдача им сигнала РАБ-А, производится только при наличии на его входе сигнала ВБР-К; если данное ПУ не запрашивает права на занятие магистрали, т.е. не формирует сигнал запроса ТРБ-А, то сигнал ВБР-К проходит на следующее устройство, а данное ПУ теряет право выдавать сигнал РАБ-А до следующего цикла опроса.

Специальные линии служат для управления режимами работы, смены состояния и т.п. Они включают линии блокировки БЛК-К, отключения абонента ОТК-А, смены состояния СМС-К и измерения ИЗМ-К и ИЗМ-А.

Организация операций. На средства интерфейса ввода-вывода возлагаются три основных вида операций, управление которыми производится по жестким алгоритмам:

- установление логической связи ПВВ и ПУ;

- передача данных между ПВВ и ПУ;

- отключение ПУ от интерфейса.

Установление логической связи между ПВВ и ПУ выполняется как по инициативе ПВВ, так и по требованию ПУ. Последователь­ность сигналов, формируемых ПВВ и ПУ для установления логической связи по инициативе ПВВ, называют начальной выборкой. Цель начальной выборки — найти адресуемое ПУ, осуществить его логическое подключение к шинам интерфейса, передать ему байт приказа и получить от него байт состояния. Если полученный байт состояния ПУ свидетельствует о занятости адресуемого устройства, то последовательность сигналов изменяется и реализуется выборка занятого ПУ.